参考系 · 矢量合成

渡河相对运动矢量实验

每个速度都先说明“谁相对谁”。同一艘船在水里开,船相对水、河水相对岸、船相对岸,是三个不同的速度。

先猜一猜:船头正对河对岸,实际航迹也会正对河岸吗?如果想最快到达,船头又该朝哪里?

河岸参考系中的实际航迹

船相对水 水相对岸 船相对岸
渡河相对运动示意图 河水向右流动。船从近岸出发,轨迹由船相对岸速度决定,下方独立图显示三个速度矢量的首尾相接关系。 对岸 出发岸 正对岸点 到达点

水流向右为下游;虚线连接出发点与正对岸点,紫线为船相对岸的航迹。

速度矢量首尾相接 船/水 水/岸 船/岸
船相对岸横向分量
+2.00 m/s
船相对岸过河分量
4.00 m/s
渡河时间
30.0 s
下游漂移量
+60.0 m

当前是预览状态。紫色轨迹表示船相对岸的运动方向。

别急着加数字,先给速度写“身份证”

水流把船整体带向下游,同时船相对水又朝船头方向前进。站在岸上的观察者看到的速度,是这两个速度的矢量和:

v船/岸 = v船/水 + v水/岸
vx = v水/岸 − v船/水 sin α
vy = v船/水 cos α

这里规定下游为横向正方向,α 朝上游为正。渡河时间只由过河分量决定:t = 河宽 ÷ vy;漂移量则是 Δx = vxt。

三个方案,两个容易混的结论

最短时间:让 vy 最大。因为 cos α 在 α = 0° 时最大,所以船头正对河岸法线。这并不保证落点在正对岸。

抵消漂移:要让 vx = 0,需 sin α = v水/岸 / v船/水。只有船相对水的速率大于水相对岸的速率时,才存在能稳定过河的抵消方案。

模型边界:这里只讨论各参考系之间作恒定相对平移、速度远低于光速的经典情形;不涉及加速参考系,也不进入狭义相对论。